2012-05-09

Metafluids:德國研究者實現新材料類型

Metafluids: German researchers realize new material class
http://phys.org/news/2012-05-metafluids-german-material-class.html

May 8, 2012

一個由德國 Karlsruhe 理工學院的 Martin Wegener 教授所領導的團隊,透過一種穩定的結晶型 metafluid(變流體) -- 一種「pentamode(五模式)超材料」 -- 的產製,成功實現一種新的材料類型。利用新的奈米建構(nanostructuring)方法,這種材料首度得以被實現,具有任何可以想見的力學特性。研究者們將在 Applied Physics Letters 五月號的封面故事中呈現他們的成果。

過去幾個月 KIT 的 DFG Center for Functional Nanostructures(CFN)以及應用物理研究所(AP)可用克竟其功(The Rubicon was crossed)來形容。最終,許多三維變換聲學(transformation acoustics)的構想,例如:隱「聲」斗篷(inaudibility cloaks)、聲學菱鏡(acoustic prisms),或新的喇叭概念,都能在不久的將來實現。

到目前為止,pentamodes(1995 年由 Graeme Milton 與 Andrej Cherkaev提出)都是純理論性:材料(如黃金、水)的力學行為,以壓縮(compression)及剪切(shear)參數來表示。考慮到這種現象:例如,水在圓柱體內難以被壓縮,是透過壓縮參數來描述。而利用湯匙,能在所有方向上攪拌它這個事實,則透過剪切參數來表示。

Penta 這個字源於古希臘語,意思是「五」。在水的例子中,五種剪切參數等於零,只有一種參數,壓縮,值有所不同。就參數而論,pentamode 超材料的理想狀態類似於水的狀態,這也是為何此材料被稱為 metafluid。理論上,任何可以想見的力學特性不管怎樣都可以藉由改變相關參數而獲得。

"要實現 pentamodes 超材料,就跟「試圖以針搭鷹架,且除了針尖之外,其他地方都不能夠接觸」一樣困難," 第一作者 Dr. Muamer Kadic 解釋。"這個 Karlsruhe 原型是以某種聚合物製成。此材料的力學行為是由個別「塔糖(sugar loaves)」的銳利度(acuteness)與長度所決定。一方面,我們必須在奈米範圍內設計小塔糖,並使它們以正確的角度互連。在另一方面,整個結構最終必須要盡可能的大。因為材料本身只佔了各自體積的百分之一點多,所以獲得的複合物相當的輕。"

"一如變換光學(transformation optics),為了獲得類似的 3D 結果,變換聲學僅能依賴超材料。基於以上原因,我們 pentamode 超材料的首度製作,相當的成功," Tiemo Buckmann 補充。他將從應用物理研究所獲得文憑,且負責利用浸入式雷射曝光(dip-in laser writing,一種源自於 Nanoscribe 公司所開發的雷射直寫 (direct laser writing) 的方法)實現這種新材料的結構。

最近幾年來,Martin Wegener(應用物理系教授以及 CFN 的聯絡人)等人開發了雷射直寫,且基於那種方法,建立了三維奈米結構的光微影術(optical lithography)。Wegener 小組在變換光學中成就眾多,例如:第一個在可見光範圍內的三維隱形斗篷,就是來自於那種技術。

※ 相關報導:

* On the practicability of pentamode mechanical metamaterials
http://apl.aip.org/resource/1/applab/v100/i19/p191901_s1
Muamer Kadic, Tiemo Bückmann, Nicolas Stenger, Michael Thiel,
and Martin Wegener
Appl. Phys. Lett. 100, 191901 (2012); (4 pages)
doi: 10.1063/1.4709436
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